NASA的下一站，去木衛二看大海

果殼網 2017-06-155評

（Shea/編譯）第一次潛到地球上漆黑而幽深的大洋底部時，人類發現了一個如月球表面一般的不毛之地。在冰冷的海水之下，遠離陽光的滋養，那裡看上去一片死寂。沒有光，沒有植物，也沒有光合作用

但隨後，潛艇中的科學家開始探測地球上最大的山脈——幾乎橫跨了地球表面1/4的大洋中脊。探險家羅伯特·巴拉德（Robert Ballard）稱這一巨大的裂谷為「創世的邊界」。在大洋中脊里，有大約10 000座活火山在向外湧出熔岩，然後冷卻凝固。在上個世紀70年代中期，巴拉德是第一批見到地球上這番景象的人之一。沿著加拉帕戈斯裂谷，他的團隊看到了有十幾層樓高的白色煙囪從海底升騰而起。並非是一片海底沙漠，在足以融化鉛的溫度下，那裡有著了一個欣欣向榮的生態系統。沒有陽光能穿透到這麼深的海底。但在這個深淵中，另類的生物比比皆是。巨型的管蟲高聳達3米，身旁還有與細菌一起共生的蛤蜊。

在世界各地幾十年的探險之後，科學家不斷發現新形式的生命，它們可以只使用化學物質就完成生命循環。它們的能量來源，它們在進化上的起源，乃至它們的食物鏈，都與我們的截然不同。

這些嗜極生物的存在暗示地外生命也許十分普遍，點燃了在太陽系中的近旁找到它們的希望。在土星的衛星土衛六、土衛二和（可能的）土衛一上，以及在木星的衛星木衛二、木衛三和木衛四上，已經發現了液態的海洋。科學家也正在研究在矮行星冥王星和穀神星上存在海洋的可能性。

NASA的下一個探測目標，將是木星的天然衛星之一、有著全球性冰下海洋的木衛二。圖片來源：penny4NASA.org

在所有這些擁有海洋的衛星中，木衛二一直是最吸引?人的。木衛二上的海水比地球的還多，它也具有地質活動的跡象，例如哈勃空間望遠鏡發現了其海底火山和由水蒸汽組成的羽狀噴發物。科學家懷疑，表面的冰層與下方的水相混合，可以為生命提供所需的營養。

如果我們能在太陽系中的其他地方發現生命的話，那它們極有可能會暢遊在木衛二的海洋中，正在從其海底的熱液噴口周圍汲取化學能。不過，成本過高一直是此前無法將探測意圖轉變成實際任務的關鍵因素，但現在情況已經大為不同。

在從今往後短短6年的時間裡，美國航空航天局（NASA）就將發射其第一個木衛二探測任務，它甚至可能還會攜帶一個木衛二的著陸器。在歷經了幾十年的努力、希望和成本過高的詬病之後，NASA已經正式為這一耗資數十億美元的任務亮起了綠燈，它將有助於人類回答一個終極問題——在宇宙中我們是否孤獨而唯一？在回答這個問題方面，木衛二多次飛掠任務絕不是第一個嘗試，但它有望第一次為我們提供一個有說服力的回答。

木衛二多次飛掠任務計劃於21世紀20年代發射。它將對擁有海洋的木衛二進行40次以上的飛掠觀測，由此獲得其迄今解析度最高全球圖像，探測那裡存在生命的可能性。圖片來源：NASA/JPL-CALTECH/SETI INSTITUTE (EUROPA); NASA/JPL/SPACE SCIENCE INSTITUTE (JUPITER)

1977年，就在科學家開始對地球上的熱液噴口進行研究的同一年，兩個探測器發射升空飛往宇宙深處，開啟了對另一個擁有海洋的天體——木衛二——的首次探測。

旅行者1號拜訪了木星，在那裡它觀測到了木星衛星木衛一上火山的爆發。在木衛一的近旁，有一些奇怪事情正在木衛二之上發生。它的表面上縱橫交錯地布滿了直線形的裂紋。不過，由於無法靠得更近，因此沒能看清那裡到底發生了些什麼。值得慶幸的是，旅行者2號從近處飛過了它的表面。

美國太平洋時間1979年7月9日上午08時04分，在木衛二的冰面所反射出的暗淡陽光之中，旅行者2號飛馳而過。在它發回的第一批圖像穿越5億千米才抵達地球之後，科學家目瞪口呆。

乍一看，木衛二就像是帕西瓦爾·洛韋爾（Percival Lowell）想像中河網密布的火星。科學家猜測這些線條也許是山脊或者峽谷，可能是由木衛二膨脹或收縮所導致的。它們是不是有可能類似於地球上的板塊構造？在發現之時，旅行者號的技術無疑是最領先的。但即便如此，仍需要人的大腦來對其解讀。

現實中，在旅行者號到達之前，這個難題其實就已經解開了。就在旅行者號發現木衛一上有火山活動之前，有3位天文學家發表了一篇論文。他們提出，木衛一總是在其軌道上的同一點與木衛二最為接近。這種共振會使得軌道偏心率變大，導致木星對其施加巨大的潮汐力。這也會使得木衛一上火山噴出的硫能夠落到木衛二的表面上——對於生在冰下的生物來說，這可能是一個關鍵的因素。

如果木星的潮汐力可以加熱木衛一，那它也可以使得木衛二上出現火山活動。這一系列的線索和暗示最終匯聚成了一個普遍的假設，在木衛二數千米厚的冰層之下，潛藏著一個全球性的海洋。但對於木衛二上是否真的存在液態水，這個問題仍然需要一個可靠而有力的回答。

木衛二的個頭比地球小很多，那裡擁有的水資源卻比地球上更多。圖片來源：evin Hand (JPL/Caltech),

Jack Cook (Woods Hole Oceanographic Institution), Howard Perlman (USGS)

有關木衛二的幾乎所有認識，都來自於NASA的伽利略號探測器所搜集的數據。因挑戰者號太空梭失事，伽利略號的發射時間被推遲到了1989年。儘管受困於自身的嚴重問題，但它依舊改寫了所有行星科學的教科書。伽利略號上4.9米的傘狀高增益天線本應在其遠離太陽之後完全打開，這可以使得它在很多年的時間裡每分鐘都能向地球發回高解析度的圖像。然而，由於馬達卡住了，天線並沒有完全打開。

受限於通訊能力，伽利略號的海量數據被擰成了涓涓細流。觀測獲得的數據不得不使用另一個天線來傳輸，其信號強度只有主天線的萬分之一。伽利略號近距離飛掠木衛二隻有12次，其中還有2次探測器進入了安全模式，NASA噴氣推進實驗室的科學家必須要以最大的限度來充分利用這些有限的機會。所獲得的木衛二最高解析度圖像只有每像素6米的解析度，而且還是黑白的。

儘管如此，傳回來的第一幅木衛二照片依然讓人驚嘆不已。伽利略號的圖像似乎證實了天文學家的懷疑：對木衛二表面特徵的最佳解釋是，在一個巨大的液態水海洋之上存在一個轉動的冰殼層。這一表層同時也向天文學家提供了有關木衛二歷史的線索。它的表面上分布著大大小小的冰原，冰原的斷裂和相互擠壓類似於板塊運動，這使得木衛二成為了除地球之外唯一已知具有類似地質活動的天體。

伽利略號的磁強計在木星和木衛二之間探測到了感應磁場。對此，最簡單的解釋就是，木衛二擁有一個含鹽的全球性地下海洋，因為冰本身的導電性不足。

科學家獲得的數據只夠用來構建木衛二的低解析度圖像，能滿足科學家胃口的高清晰度圖像幾乎沒有。今天許多研究木衛二的頂尖科學家，在當時都是使用伽利略號數據的研究生。對他們來說，後續探測任務的必要性似乎顯而易見。但自從1995年伽利略號抵達木星起至今，NASA先後發射了11個火星任務，卻不曾有一個探測器飛往木衛二。

對20世紀90年代伽利略探測器獲得圖像重新處理之後所獲得的土衛二影像。其表面縱橫交錯的裂紋和縫隙強烈地暗示，在木衛二表面的冰層之下存在著一個全球性的海洋。圖片來源：NASA/JPL-Caltech/SETI Institute

參與新的木衛二任務的科學家大多在此之列。他們對伽利略號所獲數據的研究，最終催生出了對木衛二的探測任務。

在世紀之交，這一夢想看上去似乎即將成真，當時有一組天文學家提出了木衛二海洋探索任務的計劃。但最終，這個小探測器被認為是不現實的，NASA選擇了前往冥王星的新視野號任務。不過，美國天文學會有關行星科學的10年規劃，仍把木衛二列為了最優先的探測對象之一。當時，天文學家想發射一個環繞木衛二的軌道探測器。

最終，NASA要求有關的科學家提一個中型任務的方案。這個提案與歐洲空間局（ESA）的任務相結合，還將探測木星的另一顆冰質衛星木衛三，被稱為木星冰質衛星探測器（JUICE）。但這一次，天文學界稱這一概念不值這價。NASA宣布退出，ESA獨自研發建造JUICE，計劃於2022年發射。

使得所有這些任務都變得更加複雜的一個因素是，木衛二繞木星公轉的軌道半徑大約有644 000千米。這差不多是地月距離的2倍。在這個位置，任何航天器都必須要有能力抵擋住從木星射來的以近乎光速運動的高能電子洪流。

在環繞軌道探測器的提案被否決之後，NASA要求尋找其他的替代方案。其中一個方案源自於NASA已經精通的對土星衛星的研究。通過計算，JPL的科學家奇蹟般的拓展了卡西尼號探測器的軌跡。在過去7年中，卡西尼號使用剩下的20%的燃料環繞土星運轉了155圈。在鋌而走險地數次飛掠中，它從土星衛星的表面之上俯衝而過，發現土衛二上存在熱液噴口的跡象、土衛六上的降雨和其他的新現象。在其距離最近的飛掠中，卡西尼號距離土衛二的表面僅25千米。

這一魔術般的軌道設計也被用在木衛二的飛掠探測器上。木衛二的表面被劃分成14個交疊的區域，通過多次飛掠可以對木衛二進行全球性的高解析度成像。由此獲得的最佳圖像可以與NASA獲得的月球和火星圖像的相當。此外，由於它不會像木衛二的環繞器那樣一直處於木星附近，因此這一飛掠探測器就不需要對輻射進行嚴實的防護。

這一任務設計總體上很有利於作出科學發現。通過多次飛近和飛出木衛二附近的區域，這個探測器可以從遠處來觀測木衛二。如果在遠處發現了它的羽狀噴出物，就可以調整飛掠它的軌道。

如果木衛二確實存在如哈勃空間望遠鏡所探測到的活躍羽狀噴發，那麼這個探測器就有可能在針對性的飛掠中對噴出物進行採樣，品嘗一下木衛二大海的味道，確定它的組成成分。在最終被木星的輻射破壞之前，最後的提案包含了至少45次飛掠，且幾乎所有的飛掠距離木衛二表面的高度都在100千米之內。這把它的成本降到了大約20億美元，只有此前預計的一半。

類似於首批月球和火星的三維數據所帶來的變革，結合木衛二的影像學和地形數據，也將徹底改變有關它的認識。然而，獲得這些照片並不容易。內太陽系的影像受益於太陽的亮度以及圍繞環繞目標天體的平穩軌道。木衛二飛掠任務飛過木衛二表面的高度，差不多與地球上最好的偵察機的飛行高度相當。在光照條件已經非常弱的情況下，探測器下方的地面還會高速反向移動。

因此，雖然卡西尼號的電荷耦合器件（CCD）照相機也需要面對土星周圍類似條件所帶來的技術挑戰，不過木衛二項目的團隊還是決定把目光投向新視野號探測器的照相機——遠程勘測成像儀（LORRI）。2015年，它在新視野號飛掠遙遠冥王星時拍攝的高解析度圖像震驚了世界。不同於CCD相機，它所採用的是互補型金屬氧化物半導體（CMOS），後者是一種在低光照條件下更有效的探測器。

現在，有許多數碼相機也在使用CMOS探測器。它非常適合木衛二，因為它比CCD有更強的輻射耐受能力，讀出的速度也快得多。

由伽利略號探測器數次飛掠木衛二所獲得的影像製作的拼接圖像，覆蓋了從木衛二北極到南極的部分區域。可以看到，除了部分區域擁有解析度較高的圖像之外，其他的都為低解析度影像。圖片來源：NASA/JPL-Caltech/University of Arizona

深海

在伽利略號任務歸於平靜之後，NASA的科學家開始前往地球上的極端之地去尋求新的發現。

這些地方包括美國阿拉斯加的北斜坡和南極的乾燥山谷，以及大西洋中脊和東太平洋海嶺。此外，還有失落之城熱液區，那裡有甲烷和氫氣被噴射至海水中，與20世紀70年代所發現的有著黑煙囪的熱液噴口大不一樣。那裡沒有管蟲或者蛤蜊；相反，存在完全不同的生命形式，例如蝸牛、軟體動物和甲殼類動物。許多科學家相信，類似的地點正是地球上所有生命的發源之地。

很顯然，NASA的口頭禪一直是「跟著水走」，而木衛二正是有水存在地方。但是，生命所需的要素不止於此。它還需要能源，此外還有構建生命所需的化學元素。火山循環木衛二海底岩石的過程可以提供這些要素。然而，要想讓生命在木衛二上廣泛散播，光有熱液噴口是不夠的。在地球迷失之城熱液區所發現的生命形式，實際上還依賴於溶解在水中的氧。在地球上，氧氣來自於以太陽為能源的生命。於是，科學家想知道，在木衛二上是否有另一種方式來獲得氧氣。

為此，JPL的科學家製造了一個「罐中的木衛二」。實驗室實驗讓天文學家有能力在微小的冰樣本上複製出木衛二的溫度、壓強和輻射條件。伽利略號在木衛二表面上的一個地方觀測到了過氧化氫（H2O2）。因此，科學家在實驗室中演示了木衛二表面上這一化學成分如何形成並最終分解成氧氣（O2）的過程。最後，他們還利用夏威夷的凱克望遠鏡測量了過氧化氫在木衛二上的分布。此外，天文學家還研究了木衛二破裂表面上顯眼的奇怪顏色。他們發現，黃褐色的條紋實際上是木星輻射轟擊鹽所發生的副產品。換句話說，它們其實是木衛二表面上被破壞而變色的海鹽。

為了對木衛二上的鹽進行更為深入的研究，天文學家想出了辦法，用凱克望遠鏡來實現解析度甚至比「伽利略」還高的觀測。他們的研究被戲稱為是尋找木衛二上的白鯨。

當天文學家把新的數學方法用於凱克望遠鏡的觀測時，這頭白鯨躍出了水面。他們對光譜數據進行處理的時候，發現木衛二上有一個區域，其化學成分有別於其他的地區。這些化學成分究竟是什麼，目前仍然不明。天文學家懷疑，它們是因冰雪融化而新近被循環到木衛二表面上的鹽。

在地球上，它會是沙漠中的鹽灘。在木衛二上，這些鹽很可能來自於與海底岩石的相互作用。對其進行採樣，可以為天文學家提供一條捷徑，去研究冰層下方的深海以及有關的過程。西波伊斯地區是其中最亮的區域，這使之成為了著陸和探測的主要地點。這一新發現有助說服NASA為目前的木衛二任務增加一個著陸器。

木衛二探測任務受到了美國國會的高度支持，甚至為之立法確保資金到位。該任務的科學家和工程師會定期與國會議員開會，溝通項目進展和所面臨最根本的問題。

著陸器作為去木衛二上尋找生命的最後一個部件，在NASA內部也遭致了不同的意見。NASA一開始並沒有打算要把著陸器包括在任務中，但美國國會執意要這麼做。美國國會認為，為了正確地執行木衛二探測任務，科學家就必須要能夠直接去探測生命。於是，JPL獲得了一項資助，來研究把一個著陸器連接到當前飛掠任務上的可行性。

美國國會在2016年撥款1.75億美元用於研發飛掠探測器和著陸器。甚至在美國白宮為該項目亮起綠燈之前兩年，美國國會就開始資助這一任務的研發。這使得NASA在2015年把它從前期項目改為正式立項。

很顯然，這一做法既會贏得盟友，也會遭致反對。最近，NASA行星科學的預算增加了近13％。儘管如此，為了確保NASA會根據計劃把資金用於木衛二任務，最新的開支法案並沒有允許把這筆錢用於木衛二著陸器的研發。美國國會要求，木衛二任務要使用NASA新的空間發射系統（SLS）來發射，最早的發射時間為2022年。

SLS的作用至關重要，因為它可以發射複雜且龐大的探測器。若使用威力較小的阿特拉斯火箭，則需要6年多的時間才能抵達木衛二，屆時該項目絕大多數的科學家都接近或者超過了退休年齡。

木衛二上水蒸氣噴發的藝術概念圖。根據哈勃空間望遠鏡分光觀測的結果，噴發出的羽狀物高度可達200千米，此後可能會凝固重新落回到木衛二的表面之上。這些噴發現象也暗示，在木衛二的冰層之下存在液態水。版權：NASA/ESA/K. Retherford/SWRI

如果沒有著陸器，木衛二任務將無法回答天文學家和公眾最想要知道的問題。從軌道上和飛掠的過程中，確實可以對宜居性進行評估，但要獲得令人信服的生命跡象的證據，最終還是必須要著陸到木衛二的表面。然而，飛掠任務之所以能成行，正是因為其創新性的方案和低廉的成本。NASA對於增加一個著陸器十分審慎，畢竟這可能會需要額外的10億美元。

不過，工程師想出了讓所有人都大吃一驚的方案。著陸器也許不必如此前預期的那樣「堅韌」。根據擬議的方案之一，著陸器將和飛掠探測器一同前往木星，然後在木衛四附近進入休眠狀態，那裡可以遠離強烈輻射。待飛掠探測器對木衛二的表面完成勘測之後，再派遣著陸器。

然後，著陸器將利用為火星開發的兩項成功技術。「天空升降機」可以把著陸器向下送至冰面附近，而後充氣氣囊會確保著陸器安全觸地。不過，天空升降機技術會使用反推火箭，這會從化學上改變木衛二的表面物質。

目前的著陸器設計是為期10天、使用電池供電的任務，但科學家正在考慮增加太陽能電池板來延長它的壽命。著陸器所攜帶的有效載荷仍然要經過競爭流程來確定。不過，初始的方案包括了一台可以用來探測有機物的氣相色譜質譜儀和一台紅外分光儀。

支持一方的觀點是，既然已經走了這麼長的路，投入了大量的資金和人力，為什麼不再多加一台儀器去檢驗那裡的海洋中是否有生命呢？

當然，做出最後決定所需考量的因素遠不止科學本身。在這一任務完成十年之後，後續的探測器也許會試圖冒險進入木衛二的海洋，去尋找那裡的熱液噴口。從木衛二探測任務上學到的經驗，也將會惠及對其他衛星上海洋的探測任務。（編輯：Steed）

本文授權轉載自「火流星」網站。